藍藻，也被稱為藍綠藻，是一類能夠通過光合作用利用陽光和二氧化碳（CO?）制造有機化合物的微生物。與傳統(tǒng)化石燃料生產方式相比，藍藻無需依賴農業(yè)資源（如糖或玉米），可以直接將二氧化碳轉化為有價值的產品。

近日，曼徹斯特大學的研究團隊通過精心設計的實驗方法，利用藍藻菌株 Synechocystis sp. PCC 6803 生產檸檬酸鹽，產量提升了 23 倍。檸檬酸鹽是一種重要的生物化學前體，可以進一步轉化為可再生塑料（如有機玻璃或樹脂玻璃）。這種材料不僅廣泛應用于日常生活，還可用作生物基塑料的替代品，從而減少對化石燃料的依賴。

這項成果發(fā)表在 Biotechnology for Biofuels and Bioproducts 期刊，題為“Improving productivity of citramalate from CO2 by Synechocystis sp. PCC 6803 through design of experiment”。

檸檬酸通過單一酶促步驟利用兩種關鍵代謝物（丙酮酸和乙酰輔酶 A）生成。

曼徹斯特大學的研究團隊采用“實驗設計”（Design of Experiment, DOE）的方法，通過系統(tǒng)地調整多個實驗參數，找出最佳組合。他們對光照強度、二氧化碳濃度和養(yǎng)分供給等工藝參數進行優(yōu)化。團隊調整藍光和白光的不同強度組合以及在培養(yǎng)液中模擬不同的二氧化碳供給水平，并調整氮（硝酸鹽）和磷（磷酸鹽）的濃度。為了確保實驗結果的可靠性，研究團隊在 2 L 規(guī)模的光生物反應器中測試了 24 組不同的參數組合。不僅測量了檸檬酸鹽的最終產量，還記錄了藍藻的生長情況和碳分配效率。

研究發(fā)現(xiàn)，較低強度的藍光和白光，能促進藍藻快速增殖。當滿足高強度藍光和白光組合、中等二氧化碳濃度和較低的氮磷濃度的條件下，他們將 2 L 光生物反應器中的檸檬酸產量提高到 6.35 g/L，生產率為 1.59 g/L/天。

為了驗證優(yōu)化條件在更大規(guī)模反應器中的適用性，團隊將實驗擴展至 5 L 反應器。盡管產量略有下降（降至 3.96 g/L），這主要是由于更大的容器中光的傳播路徑變長，導致部分細胞接受的光強降低。然而，這種下降幅度在工業(yè)生物技術的規(guī)?；^程中是可接受的，并為未來的進一步優(yōu)化提供了寶貴經驗。

這一研究的重要意義在于，不僅能減少溫室氣體排放，還能將二氧化碳轉化為社會需要的高價值產品，為實現(xiàn)全球碳中和目標提供了技術支持。丙酮酸和乙酰輔酶 A 是檸檬酸生產中的關鍵代謝物，也是許多其他具有生物技術意義的化合物的前體。因此，本研究中展示的優(yōu)化技術可以應用于生產從生物燃料到藥品等各種材料，為傳統(tǒng)化石能源生產方式提供綠色替代方案。

該團隊計劃進一步完善他們的方法，并探索在保持效率的同時擴大生產規(guī)模的方法。他們還在研究如何調整他們的方法來優(yōu)化藍藻中的其他代謝途徑，以擴大可持續(xù)生產的生物基產品范圍。

參考鏈接：

1.Matthew Faulkner et al, Improving productivity of citramalate from CO2 by Synechocystis sp. PCC 6803 through design of experiment, Biotechnology for Biofuels and Bioproducts (2024). DOI: 10.1186/s13068-024-02589-z

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